姬 宇，王成新

(山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院， 中國 濟南 250014)

山東省城市用地結(jié)構(gòu)演變與驅(qū)動力分析

姬 宇，王成新

(山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院， 中國 濟南 250014)

隨著我國城市化進程中經(jīng)濟發(fā)展方式逐步轉(zhuǎn)型，城市用地結(jié)構(gòu)也發(fā)生著劇烈變化，由此引發(fā)城市功能的演變.本文以山東省為例，選取2004—2013年山東省城市土地利用數(shù)據(jù)及相關(guān)人口、經(jīng)濟等指標，基于信息熵、均衡度、優(yōu)勢度等模型對城市用地結(jié)構(gòu)演變特征進行研究,并運用主成分分析法剖析山東省城市用地結(jié)構(gòu)演變的驅(qū)動力.研究表明：山東省城市土地利用信息熵、優(yōu)勢度呈波動下降態(tài)勢，而均衡度呈波動上升趨勢，居住用地和工業(yè)用地比重較高，城市綠地和公共設(shè)施用地顯著增加，山東省城市用地結(jié)構(gòu)持續(xù)調(diào)整；城市用地結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動力為經(jīng)濟發(fā)展、城市交通建設(shè)和人口增長，其中前兩者影響較顯著.

城市用地；結(jié)構(gòu)演變；驅(qū)動力；山東省

城市用地結(jié)構(gòu)是指城市內(nèi)各類功能用地的比例構(gòu)成、空間結(jié)構(gòu)及其相互作用的關(guān)系[1].城市用地結(jié)構(gòu)及其布局直接決定城市功能的發(fā)揮，理清城市用地結(jié)構(gòu)演變規(guī)律并提出針對性優(yōu)化舉措，對提高土地利用效率、建設(shè)新型城鎮(zhèn)具有重要意義.國外城市用地結(jié)構(gòu)方面的研究較早，從1920年代的生態(tài)學(xué)派，到1970—1980年代的經(jīng)濟區(qū)位學(xué)派、社會行為學(xué)派、政治經(jīng)濟學(xué)派等都對城市用地進行了大量研究，內(nèi)容涉及城市用地的自然、經(jīng)濟、社會和政治等空間層面，重點由描述靜態(tài)的空間結(jié)構(gòu)到揭示空間結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化、對土地利用的驅(qū)動力認識和城市用地演變的動力機制[2].目前國外相關(guān)研究多趨向于建設(shè)生態(tài)城市問題[3-4].研究方法由傳統(tǒng)的定性方法向各類信息模型、遙感影像技術(shù)轉(zhuǎn)變[5].同國外相比，國內(nèi)城市土地利用研究起步較晚.研究視角日益廣泛，包括探討城市化進程中促進城市用地空間結(jié)構(gòu)演變的動力主體、驅(qū)動機制[6]、城市功能結(jié)構(gòu)合理配置[7]，以及城市化與城市土地利用結(jié)構(gòu)間的關(guān)系的驗證[8].同時，研究方法亦趨于多樣，包括計量地理模型和區(qū)位熵的結(jié)合[9]、遙感影像融合和土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣的結(jié)合[10]、洛倫茨曲線和偏移份額分析法以及推拉理論和多元線性回歸模型[6].此外，研究區(qū)域涉及到省域、市域[10-11]、城市群[6,9]等，數(shù)據(jù)來源則多為遙感影像解譯數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù).從當前研究成果看，研究內(nèi)容豐富且深入，但仍存在一些不足：多數(shù)學(xué)者只從單一時間角度采用遙感影像解譯數(shù)據(jù)對某個區(qū)域的城市用地結(jié)構(gòu)進行研究，不連續(xù)的時間序列、因分辨率或解譯過程中產(chǎn)生的誤差將影響所獲得城市用地數(shù)據(jù)的準確性；指標的選取受主觀性影響較大，城市用地結(jié)構(gòu)演變的機理研究不夠深入，使得研究結(jié)論的說服力有所欠缺.目前我國城市土地利用研究仍然呈現(xiàn)上升趨勢，研究方法以定量研究為主，省域范圍的研究有待拓展.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，探究山東省城市用地結(jié)構(gòu)的演變特征和驅(qū)動力，以期為其他省市的發(fā)展提供參考.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

山東省作為中國沿海經(jīng)濟大省，2013年農(nóng)村和城鎮(zhèn)常住人口總量居全國第二.全省共有17個地級市，副省級城市濟南和青島構(gòu)成區(qū)域發(fā)展的兩個中心，形成了雙核發(fā)展模式.2013年山東省城鎮(zhèn)人口達到5 231.7萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值為54 684.33億元，占全國的9.6%.2004—2013年間山東省城市建設(shè)用地持續(xù)擴張，由3 107.24 km2擴展到5 187.44 km2，平均每年增長5.9%.其中居住用地和工業(yè)用地所占的比重較大，分別為1 554.27 km2和1 098.86 km2，且呈逐年上升的趨勢，而工業(yè)用地增幅變緩，道路廣場用地和綠地用地的面積總體增加.

1.2 研究方法

1.2.1 信息熵法 信息熵起源于美國數(shù)學(xué)家Shannon提出的信息論，后被應(yīng)用到地理學(xué)領(lǐng)域，能夠反映一個區(qū)域在某個階段土地利用類型綜合性動態(tài)變化和轉(zhuǎn)變程度，對某個區(qū)域土地利用的調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義[11].假定一個城市的建設(shè)用地的總面積為S，該市的土地根據(jù)其職能可分成n種，每個職能類的面積為Si.

根據(jù)信息論的原理[12]，并參考Shannon-Weaner指數(shù)，定義土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵H，其基本公式如下：

(1)

pi為第i種土地類型所占的比例，信息熵的高低反映城市用地結(jié)構(gòu)的差異性.熵值越高，表明不同職能的用地類型數(shù)越多，各職能類型的面積相差越小，土地分布越均衡，系統(tǒng)有序度越低.當一個城市的職能比較單一時，其熵值為0.當一個城市的各種職能不斷豐富和完善時，各種土地利用類型豐富度增加，滿足熵值最大時，即S1=S2=…=Sn，此時熵值H取得最大值，城市用地類型最多.

1.2.2 均衡度與優(yōu)勢度 均衡度是用來反映各類城市建設(shè)用地均衡分布程度的一個重要概念，彌補了信息熵在反映城市土地利用結(jié)構(gòu)格局不夠清晰的缺陷，其基本公式是在信息熵函數(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)造而來[13],計算公式為

(2)

均衡度E是信息熵與最大熵之間的比值，其取值范圍為E∈[0,1]，當E=0時，城市土地利用均勻性最差，而當E=1時，則土地利用類型達到理想的平衡狀態(tài).

優(yōu)勢度反映了區(qū)域內(nèi)一種或幾種土地類型支配該區(qū)域土地利用類型的程度，與多樣性的變化相反[14].基本公式：

D=1-E,

(3)

式中D表示優(yōu)勢度，根據(jù)公式可以計算相應(yīng)年份的山東省城市用地結(jié)構(gòu)的均衡度和優(yōu)勢度.

1.2.3 主成分分析法 主成分分析最早由Pearson等提出，目前應(yīng)用廣泛，能夠?qū)?shù)據(jù)集由原始空間轉(zhuǎn)換到主成分空間，空間內(nèi)每一個主成分可表示轉(zhuǎn)換后有效的新特征[15].利用主成分分析法，可以將眾多城市用地結(jié)構(gòu)演變的驅(qū)動因子整合成幾個主要演變驅(qū)動因子.本文根據(jù)建立的指標體系，利用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件，在對數(shù)據(jù)進行極差標準化和KMO檢驗后，采用其中的主成分分析方法對山東省城市用地結(jié)構(gòu)演變驅(qū)動因子進行定量分析.

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文采用的山東省城市內(nèi)部各類用地面積數(shù)據(jù)源于《山東省城市建設(shè)統(tǒng)計年報(2005—2014)》，較遙感影像獲得的數(shù)據(jù)具有權(quán)威性高、易獲取等優(yōu)點.文中所收集的山東省經(jīng)濟、人口、就業(yè)等數(shù)據(jù)均來源于《山東統(tǒng)計年鑒(2005—2014)》.為了方便計算，同時不影響最終結(jié)論，所獲得的面積數(shù)據(jù)精確到兩位小數(shù)，計算所得的信息熵、均衡度、優(yōu)勢度的值均精確到三位小數(shù).

2 城市用地結(jié)構(gòu)演變特征分析

根據(jù)式(1)～(3)，分別計算2004—2013年山東省城市用地結(jié)構(gòu)的信息熵、均衡度、優(yōu)勢度，結(jié)果如表1所示.

表1 山東省2004—2013年城市土地利用信息熵、均衡度、優(yōu)勢度

2004—2011年山東省城市土地利用類型主要有9種，分別是居住用地、公共設(shè)施用地、工業(yè)用地、倉儲用地、對外交通用地、道路廣場用地、市政公用設(shè)施用地、綠地以及特殊用地.2012年后山東省城市土地利用類型發(fā)生變化，城市土地利用類型變?yōu)?種，分別是居住用地、公共管理與公共服務(wù)、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地、工業(yè)用地、物流倉儲用地、交通設(shè)施用地、公共設(shè)施用地、綠地用地.2004—2013年間山東省的城市建設(shè)用地面積持續(xù)擴張，由2004年的3 107.24 km2擴展到2013年的5 187.44 km2.其中，居住用地和工業(yè)用地所占的比重較大，且逐年上升，工業(yè)用地的增幅較緩；綠地用地由2004年的271.17 km2增加到2013年的641.82 km2.

由表1、圖1可見山東省城市用地結(jié)構(gòu)的信息熵呈曲折變動趨勢，可以分為3個階段：①2004—2009年總體呈下降趨勢.2004—2005年信息熵先緩慢下降0.001，2005—2006年迅速下降0.007，2006—2007年間出現(xiàn)短暫上升.②2009—2011年呈上升趨勢.此階段信息熵上升先慢后快，2009—2010年呈緩慢增長，2010—2011進入快速增長時期.③2011—2013年迅速下降.信息熵由2011年的1.873下降到2013年的1.861，下降0.012.

信息熵可以度量城市土地利用系統(tǒng)的有序度，熵值越高，有序度就越低.2009年信息熵達到3個階段中最低值，為1.859，表明2004—2009年間城市用地系統(tǒng)有序度較高.2009—2011年熵值增加先慢后快，此階段系統(tǒng)無序度增高先緩后快.2011—2013年間信息熵呈連續(xù)下降態(tài)勢，2011年信息熵在整個研究時段中達到最大，為1.873，此時城市用地系統(tǒng)有序度最低，無序度最高.

相對于信息熵的變化，2013年均衡度比2004年增加0.043，山東省城市用地均衡度在0.85處波動.2004—2011年間均衡度和優(yōu)勢度波動幅度均較小，見圖2.2011—2013年間均衡度先增后減，總體由2011年的0.852上升到2013年的0.895，而優(yōu)勢度先減后增.綜合信息熵、均衡度、優(yōu)勢度的變化，發(fā)現(xiàn)山東省城市土地利用系統(tǒng)總體從有序度較低向有序度較高的方向發(fā)展.信息熵總是處于變化中，以“調(diào)整—平穩(wěn)—再調(diào)整”的模式發(fā)展，說明山東省的城市用地結(jié)構(gòu)持續(xù)調(diào)整，有待進一步優(yōu)化.

圖1 山東省2004—2013年城市土地信息熵變化圖Fig.1 The change of information entropy of urban land use in Shandong province during 2004—2013

圖2 山東省2004—2013年城市土地利用優(yōu)勢度和均衡度Fig.2 Urban land use advantage and balance degree in Shandong province during 2004—2013

3 城市用地結(jié)構(gòu)的變化驅(qū)動因素分析

3.1 驅(qū)動因子指標體系構(gòu)建及提取

城市的社會、經(jīng)濟、人口、交通及環(huán)境關(guān)系緊密，特別是城市的經(jīng)濟發(fā)展水平會對城市土地利用產(chǎn)生顯著影響.由于研究期較短，自然驅(qū)動力影響微弱，而隨著城市化的快速發(fā)展，社會經(jīng)濟因子變化較大.徐夢冉[16]、劉軍[17]選取經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、就業(yè)結(jié)構(gòu)、消費水平和人口等方面因素構(gòu)建指標體系.楊曉娟[18]、葛春葉[19]等選取經(jīng)濟、交通、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人口等方面構(gòu)建指標體系.根據(jù)科學(xué)性、實用性、可操作性原則，結(jié)合2004—2013年間山東省城市建設(shè)用地變化情況，發(fā)現(xiàn)總?cè)丝跀?shù)、城市人口密度和非農(nóng)業(yè)人口比重等指標可以顯著地表征影響城市建設(shè)用地結(jié)構(gòu)變化的人口因素；經(jīng)濟因素一般涉及到地區(qū)生產(chǎn)總值、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、投資和消費等方面，因而選取GDP、三大產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、固定資產(chǎn)投資總額和社會消費品零售總額作為指標；因交通因素對城市建設(shè)用地的影響主要表現(xiàn)在交通流量、交通設(shè)施建設(shè)等方面，故選擇旅客周轉(zhuǎn)量、貨物周轉(zhuǎn)量和道路長度來表征交通因素；社會政策內(nèi)容豐富，其中財政政策對城市建設(shè)用地演變的影響顯著，因而選取公共財政預(yù)算支出表征這一因素的指標，根據(jù)以上指標，建立主成分分析指標體系，如表2所示.

表2 山東省城市用地結(jié)構(gòu)變化驅(qū)動力分析指標體系

利用SPSS 19.0分析，得到各驅(qū)動因子的特征值及各自對城市用地結(jié)構(gòu)變化的貢獻率和累積貢獻率.第一個主因子的貢獻率為86.305%，第二個主因子貢獻率為9.166%，且累積貢獻率達到了95.471%.由此可見，主成分一、二主因子可以顯著地描述原始數(shù)據(jù)，能夠充分反映山東省城市土地利用變化的綜合狀況.

表3 旋轉(zhuǎn)成份矩陣

提取方法 :主成份. 旋轉(zhuǎn)法 :具有 Kaiser 標準化的正交旋轉(zhuǎn)法.

根據(jù)表3可以看出固定資產(chǎn)投資總額、社會零售消費品總額、公共財政預(yù)算支出、道路長度、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重和GDP等指標與第一個主成分關(guān)系較大，說明城市用地結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟發(fā)展進程、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、城市建設(shè)投資規(guī)模、交通設(shè)施的完善程度密切相關(guān).第二個成分在城市人口密度方面有較大的載荷值，而其他指標的載荷值都較小，反映了城市人口規(guī)模對城市用地結(jié)構(gòu)變動的影響.因此根據(jù)計算結(jié)果，影響山東省城市用地結(jié)構(gòu)演變的驅(qū)動力主要為經(jīng)濟增長、交通建設(shè)以及人口增長.

3.2 主要驅(qū)動力分析

3.2.1 經(jīng)濟因素 城市內(nèi)土地的供應(yīng)是經(jīng)濟發(fā)展的基本保障，而經(jīng)濟的發(fā)展又會帶動城市用地規(guī)模的增大.2004—2013年間山東經(jīng)濟呈現(xiàn)持續(xù)快速增長的態(tài)勢，適應(yīng)于經(jīng)濟的快速變化，2004—2013年間山東省城市用地總面積持續(xù)增加，2013年城市用地總面積達到5 187.44km2，而2004年僅為3 107.24km2，年均增長率達到5.9%.經(jīng)濟增速快、規(guī)模大將推動山東省投資建設(shè)項目增加，進而導(dǎo)致城市建設(shè)用地需求增多.隨著人們收入水平提高，消費能力相應(yīng)增強，對服務(wù)業(yè)、制造業(yè)產(chǎn)品的需求增加，進而促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變.

產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟因素中的一個重要方面，培育新的經(jīng)濟增長急需建立合理的區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[20]，2004—2013年山東省整體上仍處于“二、三、一”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu).2004—2013年第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重由56.5%迅速下降到50.1%.而第三產(chǎn)業(yè)自2004年開始，一直保持迅速增長態(tài)勢，由31.7%上升到2013年的41.2%.2004年后，山東省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)一直處于轉(zhuǎn)型期，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的“退二進三”導(dǎo)致城市中工業(yè)用地增速緩慢，商業(yè)、服務(wù)業(yè)用地顯著增加.比較經(jīng)濟效益導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化進而影響城市建設(shè)用地的再分配，引起城市土地利用中居住用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)用地及工業(yè)用地的比例變化.

3.2.2 城市交通因素 道路長度、旅客周轉(zhuǎn)量及貨物周轉(zhuǎn)量在第一個主成分中的載荷值較大，表明城市交通條件的改善在山東省城市用地結(jié)構(gòu)中的作用較為顯著.2004—2013年間山東省城市客運總量升中有降，由2004年的194 734萬人次上升到2013年的411 310.9萬人次， 2004—2013年運營線路總長度由2004年的15 171 km增加到2013年的51 411.6 km，年平均增長14.5%.首先，公共站點、城市道路等交通設(shè)施建設(shè)將會推動城市土地的開發(fā)利用，特別是城市交通用地及道路廣場用地的擴展.其次，伴隨交通條件的改善，城市中的某地區(qū)位條件發(fā)生改變，導(dǎo)致城市功能用地發(fā)生重新組合，尤其推動商業(yè)用地、居住用地的擴張[21].

3.2.3 人口因素 人口是一個流動性、活動性較強的因素，城市人口數(shù)量的增加將影響城市用地結(jié)構(gòu).截至2013年底，山東省戶籍人口數(shù)為9 612萬人，比2004年增長449萬人，年均增長率為0.5%，城市化率達到53.8%.一方面受經(jīng)濟利益的驅(qū)動，從業(yè)人員在產(chǎn)業(yè)的分布將發(fā)生變化，推動金融、服務(wù)業(yè)規(guī)模增加，從而導(dǎo)致該類產(chǎn)業(yè)建設(shè)用地比重提高.另一方面由于多樣化的就業(yè)機會、優(yōu)質(zhì)的教育資源、便利的生活條件等城市吸引力拉動城市人口增長，伴隨人口增多，與人類生活密切相關(guān)的居住用地、交通設(shè)施用地、道路廣場用地、綠地的需求相應(yīng)增多，不僅改變了城市內(nèi)部用地格局，而且促進了城市邊界的拓展.

4 結(jié)論

(1)2004—2013年間山東省城市建設(shè)用地總體上呈現(xiàn)上升態(tài)勢，居住用地和工業(yè)用地持續(xù)增加，但工業(yè)用地增幅變緩.道路廣場用地和綠地用地的面積總體逐年增加，特別是綠地用地由2004年的271.17 km2增加到2013年的641.82 km2.

(2)山東省城市土地利用信息熵根據(jù)其變化趨勢劃分為3個階段：2004—2009年間呈波動下降態(tài)勢；2009—2011年間先緩慢增長后劇烈增長；2011—2013年間持續(xù)下降.2004—2011年間均衡度和優(yōu)勢度變化緩慢，2011—2013年間均衡度增加而優(yōu)勢度減少.山東省城市用地結(jié)構(gòu)由有序度低向有序度高的方向轉(zhuǎn)變，工業(yè)用地和居住用地是占優(yōu)勢的城市土地利用類型，城市用地結(jié)構(gòu)需進一步優(yōu)化.

(3)利用主成分分析法得出影響山東省城市用地結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動力為：經(jīng)濟因素、城市交通因素、人口因素等，其中前兩方面的影響較明顯，經(jīng)濟因素中產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方面影響最為顯著.

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(編輯 HWJ)

Analysis on Urban Land Use Evolution and Its Driving Force in Shandong Province

JIYu,WANGCheng-xin*
(College of Geography and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

As the economic development modes are being transformed during China’s urbanization process, the urban land use structure has also undergone dramatic changes, which as a result, triggered the evolution of urban functions. In this paper, by taking Shandong province as an example, we select urban land use data and related population and economic indicators in Shandong province from 2004 to 2013 to examine the evolution characteristics of urban land use based on information entropy, equilibrium and dominance, and analyze the driving forces of urban land use structure evolution in this region. Our results show that the information entropy of urban land use in Shandong province takes a gradually declining trend of fluctuations, but the balance degree is increasing. The proportion of residential land to industrial land is high, and the urban green land and public facilities land uses are increasing. The urban land structure of Shandong province is continuously adjusted. The main driving forces of urban land use structure evolution are economic development, urban traffic construction and population growth, among which the first two are more significant than the last.

urban land use; structure evolution; driving force; Shandong province

2016-10-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(41371170)；山東省研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目(SDYC15041)

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.03.001

K925.2

A

1000-2537(2017)03-0001-06

*通訊作者,E-mail：404122665@qq.com